V areálu Ústavu fyziky plazmatu v Praze se staví zařízení, které by mohlo pomoci změnit budoucnost energetiky a zajistit lidstvu nový zdroj energie. Jde o unikát i ve světovém měřítku.
Největší české „umělé slunce" jsme koupili z Velké Británie za jednu libru. Jde o zařízení známé jako COMPASS, které od roku 2008 stojí v hale Ústavu fyziky plazmatu (ÚFP) v Praze 8. Patří mezi tzv. tokamaky, tedy typ magnetických „pastí" na rozžhavený plyn napodobujících proces, kterým vyrábí svou energii Slunce. Českým fyzikům to ovšem teď nestačí a míří ještě výše: místo zařízení z druhé ruky chtějí něco, co nikde na světě v současné době nestojí.
Netěsní to
Experimentální tokamaky typu COMPASS fungují tak trochu jako velká magnetická termoska. V jejich komoře je pomocí velmi silného magnetického pole udržováno plazma, zjednodušeně řečeno plyn ohřátý na teplotu řádově desítky milionů stupňů Celsia (či Kelvina, to je při těchto teplotách v podstatě jedno).
Při takto vysoké teplotě se z obalu atomu „odtrhnou" elektrony a plyn se tedy „rozloží" na soubor elektronů (se záporným nábojem) a kladně nabitých jader atomů. Jádra atomů v plazmatu se díky stejnému náboji navzájem odpuzují, pokud jim však udělíme dostatečně velkou energii, resp. vzájemnou rychlost (tj. plazma dostatečně zahřejeme), mohou tuto vzájemně působící odpudivou sílu překonat a velmi, velmi těsně se k sobě přiblížit až na tak malou vzdálenost, že převáží přitažlivá jaderná síla a dojde k jejich sloučení v jádro těžší - a při tom se uvolní množství energie. Tato reakce představuje zdroj energie pro hvězdy ve vesmíru včetně Slunce.
Nápodoba procesů ve hvězdách, tedy výroba energie jadernou fúzí, má velký potenciál a plazmoví fyzici na něm pracují již od 50. letech minulého století. Z fyzikální naivity se tehdy obecně předpokládalo, že vyvinout takový zdroj bude otázkou několika málo desítek let. Ovšem v 60. a 70. letech, kdy vznikly větší a výkonnější tokamaky, se ukázalo, že se bude jednat o složitější problém, než se původně předpokládalo. Fyzici původně netušili, že čím se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu v tokamaku, tím víc se tomu bude plazma „bránit".
Tehdejší modely předpokládaly, že energetické ztráty z plazmatu izolovaného ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou velmi malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat" pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difúzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu.
Experimenty ovšem ukázaly, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „zvenku" je jen málo účinné: přesněji řečeno vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. Tento proces následně znemožňoval plazma účinně zahřát na tzv. zápalnou teplotu a tím spustit termonukleární reakci. Mohl za to zcela nový typ difúze, který dostal název „anomální". Druhá polovina 70. let a počátek 80. let se proto nesly ve znamení frustrace vědců. I přesto, že v té době byla zahájena stavba dvou velkých tokamaků (TFTR v USA a JET ve Velké Británii), praktické nasazení se zdálo být velmi daleko.
Problém ztrát se ovšem poměrně nečekaně vyřešil v roce 1982. Tehdy se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům začalo totiž plazma v jejich tokamaku ASDEX při experimentech chovat jinak, než očekávali. „Pod rukama" jim plazma nečekaně přešlo do stavu, kdy došlo náhle k výraznému navýšení jeho teploty a hustoty v centru. „Vůbec jsme to nečekali, prostě se to stalo," vzpomínal Wagner o desetiletí později na objev, který obor posunul o míle vpřed.
Ukázalo se, že v novém režimu udržení plazmatu, který byl nazván H-mód (high confinement mode), se energetické ztráty výrazně snížily. Se stejným zařízením pak bylo náhle možné dosáhnout v podstatě dvojnásobné teploty v centru plazmatu. Jak se později ukázalo, příčinou je samovolné roztočení plazmatu poblíž jeho okraje. Tím se „roztrhá" turbulence na okraji plazmatu a celé se to lépe „zaizoluje".
H-mód se podařilo postupně generovat i v dalších tokamacích. Do oboru to vdechlo nový život a naději. Ukázalo se, že bude možné postavit a provozovat fúzní reaktor s požadovaným energetickým ziskem o přijatelné velikosti, a tím pádem i s přijatelnou cenou. V 80. letech tak byla podepsána mezi tehdejším SSSR, Francií a USA dohoda o přípravě projektu velkého mezinárodního tokamaku ITER, na kterém měli fyzici své tvrzení o „ziskové fúzi" poprvé předvést v praxi a otevřít tak k cestu k fúzním elektrárnám.
(Celý článek naleznete v příštím vydání Technického týdeníku.)